一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用放射线治疗癌症的装置和系统，更具体地涉及一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统。
【背景技术】
[0002]粒子放疗是目前世界上最先进的癌症治疗手段之一。与通常的光子放疗(X射线放疗)相比，粒子被照射到病人体内时，将在粒子射程终端形成最大剂量峰值，即，形成所谓的布拉格峰(Bragg Peak)。因而通过精密控制粒子束流能量和粒子束照射位置，可以将高剂量粒子集中照射到目标肿瘤靶区内，同时将对目标肿瘤周围的正常组织和正常器官的不利照射剂量降低到最少，从而实现比X射线放疗更加适形的剂量分布，提高肿瘤的治疗效果，降低副作用。
[0003]通常，使用二维照射方法的粒子治疗系统包括粒子加速器1、粒子输运装置2、粒子照射装置3、照射控制装置4和病人定位装置，如图1所示，其中，粒子加速器I产生的粒子束流通常束斑大小为10毫米以下，因而当需要将粒子束均匀地照射到比如直径为10厘米的肿瘤靶区5时，则需利用粒子照射装置3将束斑直径只有不到I厘米的粒子束扩大到10厘米范围。具体地，来自于粒子加速器I的起始粒子束11通过粒子输运装置2运送进入粒子照射装置3，摇摆磁铁31使该起始粒子束11按计划的轨迹扫描，形成具有固定轨迹(比如圆形或ZigZag形等轨迹)的第一粒子束32，该第一粒子束32通过散射体33散射后形成第二粒子束34，该第二粒子束34比第一粒子束32具有更大的发散角，该第二粒子束34通过准直器35除去不必要的粒子，最终照射肿瘤靶区5。其中，该摇摆磁铁31主要用于使起始粒子束11按计划的轨迹扫描，从而使得最终到达肿瘤靶区5的粒子在平面上均匀分布。显然，由于摇摆磁铁31和相应驱动电源的使用，现有的粒子治疗系统的结构往往比较复杂，成本较高。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术存在的二维照射方法的粒子治疗系统结构复杂和成本高的问题，本发明旨在提供一种粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统。
[0005]本发明提供一种粒子照射装置，包括:沿着中心轴线传输的粒子束流，其包括第二粒子束和第三粒子束；安装在第三粒子束的传输路径上的准直器，该第三粒子束通过准直器形成与肿瘤靶区对应的照野形状完全一致的二维分布；安装在第二粒子束的传输路径上的平坦化装置，该平坦化装置包括围绕中心轴线可旋转的遮挡件；第二粒子束通过平坦化装置后形成第三粒子束。通过该平坦化，在垂直于中心轴线的平面上，该第三粒子束比第二粒子束具有更为均匀的粒子密度分布。
[0006]在与中心轴线的垂直距离为半径r处，该遮挡件的弧度角acr-angle (r)为360度与挡去比例attenuat1n (r)的乘积，其中，该挡去比例attenuat1n (r)是被遮挡件挡掉的粒子数与整个圆周上分布的粒子数的比值。
[0007]在半径r的径向范围内形成平坦化范围，沿着远离中心轴线的方向，遮挡件的弧度角acr-angle(r)在平坦化范围内逐渐减小。
[0008]该平坦化装置还包括旋转件和固定件，旋转件为围绕中心轴线可旋转地支撑于固定件上的圆环形部件，遮挡件的远离中心轴线的末端固定连接于该圆环形部件的内圈上。
[0009]遮挡件的邻近中心轴线的末端形成为自由端。
[0010]该平坦化装置还包括驱动件和传动件，驱动件与旋转件通过传动件相连。
[0011 ] 所述旋转件与所述传动件啮合。
[0012]所述传动件为皮带。
[0013]该粒子束流还包括第一粒子束，该粒子照射装置还包括安装在第一粒子束的传输路径上的散射体，第一粒子束通过散射体散射后形成第二粒子束，该第二粒子束比第一粒子束具有更大的发散角。
[0014]该粒子照射装置还包括有安装在第一粒子束或第二粒子束的传输路径上的监测器。
[0015]本发明还提供一种粒子治疗系统，包括上述的粒子照射装置。
[0016]该粒子治疗系统还包括粒子加速器和粒子输运装置，粒子加速器提供起始粒子束，其通过粒子输运装置运送进入粒子照射装置。
[0017]该粒子治疗系统还包括安装在第三粒子束的传输路径上的用于调节粒子束流在肿瘤深度方向的剂量分布的脊型过滤器。
[0018]该粒子治疗系统还包括安装在第三粒子束的传输路径上的用于使粒子束流停止在对应照射位置的肿瘤靶区的最深部位的射程补偿器。
[0019]本发明通过平坦化装置实现剂量的均匀化分布，省略了摇摆磁铁及其驱动电源的使用，只需要简单的遮挡件即可获得期望的粒子照射装置以及包括该装置的粒子治疗系统，从而提高照射装置和治疗系统的可靠性，同时降低成本。
【附图说明】
[0020]图1是根据现有技术的粒子治疗系统的示意图；
[0021]图2是根据本发明的第一实施例的粒子治疗系统的示意图；
[0022]图3是图2的粒子治疗系统的旋转件和遮挡件的透视图；
[0023]图4是图3的处于粒子束流中的遮挡件的示意图；
[0024]图5是图3的处于粒子束流中的遮挡件的遮挡原理示意图；
[0025]图6是遮挡件上游的粒子束流的曲线示意图；
[0026]图7是遮挡件下游的粒子束流的曲线示意图；
[0027]图8是准直器下游的粒子束流的曲线示意图；
[0028]图9是根据本发明的第二实施例的粒子治疗系统的旋转件和遮挡件的透视图；
[0029]图10是根据本发明的第三实施例的粒子治疗系统的平坦化装置的透视图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
[0031]实施例1
[0032]图2是根据本发明的第一优选实施例的粒子治疗系统的示意图，该粒子治疗系统包括粒子加速器10、粒子输运装置20、粒子照射装置30、照射控制装置40和病人定位装置，肿瘤靶区50定位在该病人定位装置上。粒子加速器10、粒子输运装置20和粒子照射装置30分别与照射控制装置40通讯连接，以对粒子束流进行控制。粒子照射装置30的中心与肿瘤靶区50的中心处于粒子束流的中心轴线IlOa上。
[0033]为了叙述方便，该粒子束流可人为区分为起始粒子束110、第一粒子束320、第二粒子束340和第三粒子束370。其中，起始粒子束110来自于粒子加速器10，其通过粒子输运装置20运送进入粒子照射装置30，形成第一粒子束320 ;该第一粒子束320通过散射体330散射后形成第二粒子束340，该第二粒子束340比第一粒子束320具有更大的发散角；该第二粒子束340通过平坦化装置360后形成第三粒子束370，该第三粒子束370比第二粒子束340具有在平面上分布更为均匀的粒子密度；该第三粒子束370通过准直器350除去不必要的粒子，最终照射肿瘤靶区50。
[0034]沿着粒子束流的照射方向(以下简称为轴向)，平坦化装置360安装在第二粒子束340的传输路径上。在本实施例中，该平坦化装置360设置于散射体330的下游，并且设置于准直器350的上游。本发明通过平坦化装置360使得第二粒子束340在对应于肿瘤靶区50的垂直于轴向的平面区域(以下简称为横向)具有均匀的剂量分布，从而省略了现有技术中的摇摆磁铁31，结构简单地实现均匀化，极大地降低了粒子治疗系统的成本。
[0035]该平坦化装置360包括驱动件361，传动件362，旋转件363，固定件364和遮挡件365。旋转件363为围绕中心轴线IlOa可旋转的圆环形部件，即中心轴线IlOa形成为旋转件363的旋转中心。遮挡件365固定连接于该旋转件363的内圈上，从而使得遮挡件365跟随旋转件363围绕着中心轴线IlOa旋转。旋转件363的外圈上设置有轴承366，从而使得该旋转件363通过轴承366支撑于固定件364上。驱动件361为马达，其与旋转件363通过传动件362相连，从而通过马达带动旋转件363旋转。
[0036]图3是本实施例的平坦化装置360的旋转件363和遮挡件365的透视图，其中，遮挡件365的远离中心轴线IlOa的一端形成为连接端365a，另一端形成为自由端365b，该遮挡件365通过连接端365a焊接于旋转件363的内圈上。应该理解，该连接端365a也可以例如通过粘合固定的方式连接于旋转件363的内圈上。除了连接端365a，遮挡件365并不具有其他支撑结构，从而使得粒子束流不会被其他的支撑结构所遮挡，即遮挡件365的整体轮廓构成为唯一对粒子束流(即第二粒子束340)进行遮挡的部件，如图4所示。该遮挡件365可以是形成有机玻璃的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等高分子材料，也可以是铝或铝合金等材料。该遮挡件365具有沿轴向的厚度d，该厚度只要能够有效地挡住粒子束流的传输即可，厚度的具体数值取决于粒子束在遮挡件365内的射程。例如，当用于癌症治疗的质子束能量为230MeV，而遮挡件365为有机玻璃时，厚度d超过约33cm即可；当用于癌症治疗的质子束能量为70MeV，而遮挡件365为有机玻璃时，厚度d超过约4cm即可；当用于癌症治疗的质子束能量为230MeV，而遮挡件365为铝时，厚度d超过16cm即可。
[0037]如图4所示，遮挡件365处于近乎高斯分布Fl (r)的第二粒子束340中，即中心区域的粒子密度大，而周围区域的例子密度小。图5是遮挡件的遮挡原理示意图，在垂直于中心轴线IlOa的平面上，以中心轴线110为圆心，r为半径画圆，遮挡件365上的形成的相应圆弧被称为遮挡件365 (r)，对于在某一半径r处的遮挡件365 (r)而言，被挡掉的粒子数与整个圆周上分布的粒子数的比例被称为挡去比例attenuat 1n (r)，其等于该遮挡件365 (r)的弧度角arc-angle(r)与360度的比值。为了实现均勾化的目的，例如在r = O附近时，遮挡件365(0)的弧度角arc-angle(O) = 180度，使得在粒子束流的中心轴线IlOa附近的粒子被挡去一半；而随着r的增大，acr-angle(r)逐渐变小。如此，沿着远离中心轴线I1a的方向，遮挡件365 (r)的acr_angle (r)在平坦化范围内逐渐变小，第二粒子束340的粒子被挡掉的比例随之逐渐变小，从而趋向于均匀化。
[0038]该均匀化的过程如图6-图7所示，其中，图6是遮挡件上游的粒子束流(即第二粒子束340)的曲线示意图，而图7是遮挡件下游的粒子束流(即第三粒子束370)的曲线示意图。为了叙述方便，高斯分布Fl (r)被人为划分为中心区域Ql和围绕着中心区域的周围区域Q2，应该理解，中心区域Ql和周围区域Q2之间的边界并不是确定的，只要确保最终到达肿瘤靶区50的所有粒子束均来自于中心区域Ql即可。遮挡件365的设置目的即削弱中心区域Ql的粒子密度(遮挡件365在中心区域Ql内的区域即为平坦化范围)，使其接近